Разработка лабораторного стенда для исследования электропривода постоянного тока с использованием АЦП и ПК

Использование персональных компьютеров с дополнительными  платами АЦП/ЦАП – это самый современный, эффективный и недорогой путь для анализа процессов и сигналов, для построения систем автоматизации.

Компьютеризированные  лабораторные и измерительные комплексы  и стенды позволяют увеличить  точность измерений, расширить возможности по обработке и расчету полученных экспериментальных данных, повысить наглядность проводимых экспериментов по сравнении с традиционными методами. Помимо этого, применение персональных компьютеров, оснащенных платами аналогово-цифрового преобразования, в сочетании со специализированными программными продуктами обеспечивает, в известной степени, гибкость в выборе контролируемых и/или вычисляемых величин, в конфигурировании самих комплексов и выполняемых на них экспериментах.

Данная работа посвящена  разработке компьютеризированного лабораторного стенда для исследования системы управления электроприводом         (СУЭП) постоянного тока. Для этого были использованы плата многоканального аналогово-цифрового преобразования L-154 и IBM-совместимый персональный компьютер.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Лабораторный комплекс

 

 

Разработанный лабораторный стенд  предназначен для проведения лабораторных работ по следующим дисциплинам:

• Электрические машины;
• Системы управления электроприводом;
• Автоматизированный электропривод.

Стенд может быть использован как в базовом, так и компьютеризированном вариантах.

В базовом варианте измерение контролируемых величин  осуществляется при помощи аналоговых и цифровых измерительных приборов, для подключения которых предусмотрены соответствующие разъемы. После сбора необходимых данных дальнейшая их обработка (построение зависимостей и характеристик) производиться вручную.

Применение компьютеризированного  варианта позволяет отказаться от обычных  измерительных приборов и трудоемкого  процесса последующей обработки полученных данных. Все измерительные и вычислительные функции осуществляет ПК, оснащенный платой многоканального АЦП и  специализированным программным обеспечением.

Рисунок 1 и Рисунок 2 демонстрируют лицевую и заднюю стороны стенда, соответственно. 

Рисунок 1. Лабораторный стенд (вид спереди)

 

 

Рисунок 2. Лабораторный стенд (вид сзади со снятой крышкой)

 

1. Механическая часть

 

В ходе работ, выполненных  ранее на предыдущей (до модернизации) версии стенда, был определен круг проблем, с которыми пришлось столкнуться. К их числу относятся:

1. Повышенная детонация  мотор-генераторной группы и приводного  двигателя.

2. После 30 минут непрерывной  работы был замечен нагрев (80-90ºС) корпуса асинхронного двигателя  (АД).

3. Неудачное механическое  соединение тахогенератора и  приводного двигателя;

4. Несовершенство колодочного  ручного тормоза вала приводного  двигателя;

5. Неудачное крепление  щелевого диска к валу приводного  двигателя;

6. Нерациональное расположение  органов управления и регулирования.

 

Соответственно, ниже приведено  решения перечисленных проблем  по пунктам:

 

1. Повышенная детонация  мотор-генераторной группы и приводного двигателя были вызваны неточной центровкой валов, а также общим износом каркаса стенда и частичным разрушением    крепежной плоскости. В качестве новой крепежной плоскости была применена дюралюминиевая плита с размерами 600х520х12 мм на резиновых опорах. Такое решение позволяет компактно на небольшой площади разместить все электрические машины, элементы питания и управления комплексом и в итоге получить настольный вариант лабораторного стенда. В дальнейшем возможна установка  данной плиты на каркас из стальных уголков. Высокая масса плиты способствует снижению вибрации в целом.

Большое внимание было уделено  центровке валов и креплению  машин. Так, асинхронный двигатель  теперь непосредственно соединен с  генератором при помощи переходного  кольца. После внесенных изменений мотор-генераторная группа представляет из себя отдельный блок. В результате удалось достичь высокой точности центровки валов. Крепление мотор-генераторного блока к основанию осуществляется двумя болтами М8 и одним М4 через резиновые демпфирующие прокладки. Консольно расположенный АД покоится на резиновом основании. Вал АД 14,5 мм в диаметре, а вал генератора 10 мм и для их жесткого соединения была применена полумуфта.

Центровка валов приводного и тормозного двигателей осуществлялась следующим методом. Особенности конструкции кожухов корпусов двигателей позволяет объединить их в единый цилиндр. Критерием точности стыка служило одновременное нахождение цилиндрического корпуса одного из двигателей в обоих кожухах. Таким образом группа «приводной двигатель – тормозной генератор» также представляют из себя единый блок.  Крепление блока к основанию аналогично описанному выше – двумя болтами М8 и двумя М4 через резиновые демпфирующие прокладки. Диаметры валов обеих электрических машин 10 мм, а потому валы соединены муфтой.

В результате было достигнуто резкое снижение вибрации основания  и детонации валов электрических машин.

 

2. Предположительно нагрев  был вызван неточной центровкой  валов и, как следствие, детонацией, а также отсутствием под защитной крышкой штатного вентилятора охлаждения. После устранения детонации и установки на вал двигателя охлаждающего вентилятора температура асинхронного двигателя даже после продолжительного времени работы несущественно превышала комнатную.

 

3. В предыдущей версии стенда тахогенератор сначала был соединен с валом приводного двигателя через муфту, но из-за неточности её исполнения (плохой центровки валов) тахогенератор был разрушен. После разборки тахогенератора выяснилось, что его вал и якорь не являются  механически цельной конструкцией – вал завальцован в якорь. Такая конструкция не предполагает наличия сколько-нибудь значительных поперечных нагрузок на вал тахогенератора. По этой же причине пришлось отказаться от фрикционной передачи крутящего момента.  От ременной передачи также пришлось отказаться, т.к. это противоречит общей концепции комплекса – добиться минимально низких влияний этого узла на переходные процессы в приводе. Я пришел к следующему техническому решению – жесткое соединение валов двигателя и тахогенератора между собой при помощи муфты и гибкое крепление тахогенератора  к стенду.  При помощи двух пластин из пружинной стали тахогенератор прикреплен к кожуху приводного двигателя. Такое решение позволяет осуществлять корпусу тахогенератора те же колебания, что и его валу при жестком закреплении к основанию и тем самым компенсировать, возникающие из-за несовершенства центровки, разности диаметров валов (4 и 10 мм соответственно) и неточности геометрических размеров соединяющей муфты.

 

4. С точки зрения механики недостатком ручного колодочного тормоза является невозможность создания на валу равномерного усилия. Поэтому было решено применить в качестве электрического тормоза для приводного двигателя такую же машину постоянного тока СЛ-621. В пункте 1 описано механическое соединение и центровка валов указанных машин. Электрическая часть описана ниже.

 

5. Для крепления щелевого  диска к валу двигателя было  применено цанговое крепление. К самой же цанге вал прикреплен при помощи болта и двух шайб большого диаметра.

 

6. Перпендикулярно плоскости  крепления (основанию) закреплена  приборная панель, в верхней части лицевой стороны которой расположены органы управления и предусмотренные конструкцией комплекса разъемы. За панелью расположены цепи управления и питания комплекса.

2. Электрическая часть

 

В результате ряда изменений, внесенных ранее в электрическую  часть комплекса, я столкнулся с  проблемой неудачного расположения отдельных компонентов и монтажных  плат. По этой же причине появилась  так называемая «лапша» - пучки соединительных проводов, проходящих через всю лицевую панель. Рациональное размещения на лицевой панели регуляторов и разъемов и крепление монтажных плат на обратной стороне панели, а также применение контактной панели позволили устранить эти недостатки. Был заменен пакетный выключатель, вышедший  из строя в ходе продолжительной эксплуатации предыдущей версии стенда.

Был установлен трехфазный сетевой выключатель, который полностью  обесточивает лабораторный комплекс.

После проведенной модернизации схема управления электроприводом представляет из себя две монтажных платы: 145х80 мм – источник питания обмотки возбуждения (ОВ) приводного двигателя и двухкаскадный транзисторный усилитель для питания ОВ генератора; 75х40 мм – тиристорный преобразователь для альтернативного  питания приводного двигателя.

Якорная обмотка тормозного генератора подключена к резистору, в котором рассеивается вырабатываемая им электроэнергия. В цепь возбуждения тормозного генератора включен регулировочный реостат для регулирования тормозного момента. 

Для удобства проведения опытов на боковой панели стенда были установлены сетевые разъемы ~220 В для питания ПК и монитора.

 

 

1. Работа схемы

 

Принципиальная электрическая  схема лабораторного стенда приведена  на рисунке 3. В сеть лабораторный стенд включается при помощи автоматического выключателя Q1, при этом на разъемах сетевых розеток появляется переменное напряжение ~ 220 В для питания ПК.  Переключателем S1 выбирается схема преобразования (тиристорный преобразователь или мотор-генераторная группа).

При электромеханическом  преобразовании энергии переменного  тока в энергию постоянного тока электродвигатель постоянного тока М2 с независимой обмоткой возбуждения получает питание от генератора G1, который приводится во вращение асинхронным электродвигателем М1 при подключении последнего к трехфазной сети напряжением 380 В пакетным выключателем Q2.

Ключ S2 позволяет отключать питания якорной обмотки приводного двигателя М2.

Для формирования сигнала  обратной связи по угловой скорости с валом электродвигателя М2 соединен тахогенератор BR, а для создания на валу электродвигателя М2 момента нагрузки присоединен генератор G2. Потенциометр R6 в цепи обмотки возбуждения генератора позволяет плавно регулировать нагрузку на валу двигателя М2.

Обмотка возбуждения  электродвигателя М2 питается через  автотрансформатор TV1 от выпрямителя с выходным сглаживающим конденсатором С1.

От этого же источника  через выходной транзистор VT2 двухкаскадного транзисторного усилителя получает питание регулируемым напряжением обмотка возбуждения генератора G1.

На вход усилителя  через переключатель SA подается задающее напряжение от потенциометра RP1 в разомкнутом электроприводе или разность задающего напряжения и напряжения, вырабатываемого тахогенератором, в варианте электропривода с обратной связью.

При выборе тиристорного преобразования контакты К1:5 – К1:8 электромагнитного реле К1 размыкаются, а контакты К1:1 – К1:2 замыкаются, отключая асинхронный двигатель М1 от трехфазной сети напряжением 380 В, что исключает взаимовлияние тиристорного и электромеханического преобразователей.

Для измерения тока в  якорной цепи и частоты вращения электродвигателя при помощи ПК с платой АЦП и программным обеспечением (ПО) Diagnostic и приведение полученных значений напряжений к допустимому уровню (±5 В) были применены шунт R_Ш в якорной цепи и делитель напряжения тахогенератора, соответственно.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 3.  Лабораторный стенд. Схема электрическая     принципиальная.

 

3. Программная часть

 

Программа Diagnostic (автор Коряков С. В.) создана в среде Borland Delphi 4 и рассчитана  на работу под управлением операционных систем семейства WINDOWS 9X. Работу с каналами АЦП платы L-154 программа производит через обращение к библиотеке процедур lcard_32.dll фирмы LCARD. На рисунке 4 показано главное окно программы Diagnostic. После подготовки испытательного стенда с двигателем к работе нажимается кнопка “Старт” и компьютер начинает непрерывно снимать и обрабатывать показания с датчиков угловой скорости (тахогенератора) и тока в якорной цепи приводного двигателя. Продолжительность времени измерения параметров работы двигателя составляет 100 секунд. Во время снятия характеристик работы привода программа непрерывно оцифровывает сигнал по двум каналам входящих сигналов с частотой дискретизации 100 мкс. Оставшееся время измерения отображается в разделе “Запись результатов измерения” над управляющими кнопками. Прервать процесс измерения можно нажатием на кнопку “Отмена”. 

 

 

Рисунок 4. Главное окно программы Diagnostic